Perovskite solceller (PSC) har mångsidiga tillämpningar, vilket gör dem till en lovande enhet för det dagliga livet. I denna studie optimerar forskare ETL-baserade bifacial perovskite solceller för flexibla enheter via simulering. Processen görs genom att välja lämplig främre transparent elektrod (FTE), håltransportskikt (HTL) och bakre transparent elektrod (RTE).
ETL-baserade Bifacial Perovskite solceller för flexibla enheter
Det observerades att effektomvandlingseffektiviteten (PCE) för perovskitcellanordningen förbättrades avsevärt. Detta blev möjligt med en välliknande struktur med en liten ledningsbandsoffset (CBO) vid gränssnittet mellan FTE/perovskite. Däremot noterades prestandaminskning med en uppåtgående förskjutning i valensbandet för HTL.
Höjdpunkter
- För att optimera den ETL-fria bifaciala perovskiten för flexibla enheter.
- Minsta CBO vid perovskite-gränssnittet kan förbättra enhetens prestanda.
- RTE:s bandgap och elektronaffinitet påverkar i hög grad enhetens prestanda.
- 1.4 eV perovskite är den optimerade.
- För båda belysningsförhållandena visar enheten PCE >27 %.
Effektomvandlingseffektivitet (PCE) av perovskite solceller har ökade från 3.8 % till 26.1 % på ett decennium. Således har organisk-oorganisk metallhalogenid perovskit solceller fått stor uppmärksamhet på sistone.
Utvecklingen av flexibla PSC:er är dock försenad på grund av den höga sintringstemperaturen hos elektrontransportskiktet (ETL). I inverterade PSC, forskare främst använde [6,6]-fenyl-C61-smörsyrametylester (PCBM) som ETL för att göra dem mycket effektiva. Eftersom PCBM är dyra, ökar de totala kostnaderna för enheten att införliva dem i enheten.
Forskare då provade ETL-fria PSC:er vilka är de mest lovande och acceptabla enheterna. Detta tillvägagångssätt har enkel konfiguration och eliminerar komplex förberedelse, vilket minskar tid och energi som krävs.
Snabbt faktum: Liu et al. utvecklade första PCE har 13.5%.
De nuvarande PCE-cellerna har 20-22% effektivitet men släpar fortfarande efter på grund av den obalanserade laddningsöverföringshastigheten.
Orsak: Brist på permanent inbyggt fält när ETL saknas.
Överväger olika tillvägagångssätt
Forskare övervägde att använda koncentratorer, PV-material med 2 eller fler distinkta bandgap i tandem-arrangemang och ett bifacialt tillvägagångssätt. Alla dessa syftar till att förbättra enhetens prestanda och uppmuntra en bred användning av tekniken. Eftersom bifacial-designen är enkel och billig, ökar den effektkonverteringseffektiviteten till en något högre kostnad genom att lägga till en bakre transparent elektrod.
Ljus kan komma in i systemet från båda ändar genom att installera de genomskinliga elektroderna. Med detta kan bifacial solpaneler potentiellt uppnå mer än 30 % högre PCE i jämförelse med mono-facial paneler. Det finns dock olika faktorer som avgör detsamma, såsom lutningsvinkel, markytans reflektivitet och höjd över marken, etc. Dessutom, om fördelarna med bifacial och flexibel solcellsteknik kombineras, kan de resultera i effektiva och mångsidiga enheter för utvinning av solenergi.
Tillämpningar av ETL-fri flexibel bifacial PSC:
- Fällbar skugga på butikerna
- Fällbara fönsterluckor
- På seglen
- Eller ett paraply på stranden
Det är möjligt att bearbeta flexibla PSC:er efter roll-till-roll-metod och kan kapslas in med flexibla lager till låg kostnad. Även om flexibla bifaciala PSC:er är en ny teknik, fortfarande under forskning och utveckling, har de gjort betydande framsteg.
I ett initiativ, NREL utvecklar vindkraftsblad av återvinningsbart harts.
Med hjälp av simulering var det enkelt för forskare att sikta på önskade parametrar eller egenskaper hos den bakre transparenta elektroden (RTE). Detta gör det möjligt för dem att uppnå optimal prestanda för enheten. I det aktuella simuleringsarbetet har forskare kopierat ETL-fri bifacial enligt följande diagram.
Genom att observera flexibla solceller med olika elektroder, gränssnittsdefektskikt och håltransportskikt upptäckte forskarna bandinriktningen och potentiella barriärer för att förbättra den övergripande prestandan. Dessutom, de uppnått >27 % effektivitet under olika förhållanden genom att optimera perovskitabsorbatorns bandgap till 1.4 eV.
Enhetens struktur och simuleringsparametrar ETL-baserad Perovskite
- Forskare använde endimensionell Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D)-paket för att simulera den föreslagna enheten.
- Dessutom, för att designa en bifacial enhet från en validerad, ersattes Au med ett transparent elektrod Cu/Cu2O kompositskikt.
- Passivated-FTO (PFTO) användes för att fungera som FTE.
Resultat och diskussion
Effekter av den främre genomskinliga elektroden (FTE)
I ETL-fria PSC:er bör FTE utformas med hög transparens och förbättrad bandinriktning för effektiv laddningstransport. Forskare har avslöjat olika heltidsekvivalenter som Zirkoniumdopad In2O3 (Zr:In2O3), ITO, aluminiumdopad ZnO (Al:ZnO), och passiverad/modifierad-FTO (PFTO). Vid lägre temperaturer var det lätt att avsätta dessa elektroder på ett flexibelt substrat.
Från följande banddiagram är det uppenbart att CBO vid FTE-gränssnittet som är nära 0 har dragit högre PCE. Riktningen av ett elektriskt fält vid ITO är motsatt till HTL-gränssnittet, vilket inte är lämpligt för effektiv laddningstransport.
Detta anses vara den potentiella barriären för elektroner som strömmar mot heltidsekvivalenter. Enhet med ett mindre CBO-värde visar mindre rekombination vid FTE-gränssnittet enligt rekombinationsprofilen. Det finns en ökning av elektronaffiniteten för FTE med en negativ förändring i CBO vid FTE-gränssnittet. Detta berodde på skillnaden i elektronaffinitet mellan intilliggande skikt.
När tjockleken på FTE-skikten ökar, minskar enhetens PCE när den är upplyst från FTO-sidan. Inga signifikanta förändringar observerades dock för bakbelysning.
KAUST avslöjar 33.7 % effektiva och stabila tandemsolceller i perovskitkisel.
Effekt av håltransportskikt (HTL)
För denna studie användes olika HTLs som DM, Cul, Cu2O och CuSCN på prestandareferensenheten. Följande energibanddiagram visar modifierad bandinriktning vid perovskite eller HTL- och HTL/RTE-gränssnitt. När den är upplyst bakifrån visar rekombinationen i Cul- och CuSCN-enheter samma SRH-rekombinationsprofiler. Det finns högre möjligheter till direkt rekombination med högre valensnivåer i det intilliggande lagret.
Effekt av gränssnittsdefektskikt
Vid tidpunkten för termisk glödgning markeras defekter i gränssnittet. Dessa defekter främjas om gränsytan saknar syrevakans, gittermissanpassning och stökiometrisammansättning. Studien talar om 3 typer av defekta gränssnitt som nämns nedan:
- HTL/bakelektrod: Orsakas på grund av reaktion mellan bakelektroden och HTL i närvaro av syre.
- TCO/perovskite: En defekt i detta gränssnitt leder till syrevakans.
- Perovskite/HTL: Varje defekt i detta leder till gallerfel.
- För defektdensitet mindre än 10^16 cm−3 förblir enhetens PCE densamma. Det visar en lägre rekombinationshastighet i gränssnittsskiktet.
- Med en koncentration högre än 10^16 cm−3 sker en ökning av rekombinationshastigheten, vilket minskar enhetens effektivitet.
- På liknande sätt, med en ökning av tjockleken på gränssnittsdefektskiktet, sker en linjär minskning av anordningens PCE. Det leder till en ökning av rekombinationshastigheten i IDL-regionen.
Detta fenomen stödjer kraven på att minska defekten i PFTO/perovskite-gränssnittet via passivering eller någon annan lämplig bearbetningsmetod. Oftast är ytpassivering att föredra för att modifiera ytmorfologin.
Effekten av den bakre genomskinliga elektroden (RTE)
Detta elektroden har en viktig plats för att bestämma den övergripande prestandan för de bifaciala PSC:erna. Två huvudsakliga faktorer som påverkar prestandan hos bifaciala solceller är elektronaffinitet och bandgap. Bifacial PSC:er har lägre PCE jämfört med deras enkelsidiga motsvarighet, vilket påverkar RTE på viktiga sätt. En förändring från negativ till positiv i VBO vid HTL/RTE-gränssnittet observeras med en ökning av bandgapvärdet för RTE.
För båda ljusförhållandena visar enheten ett maximum PCE vid VBO på +0.29 eV (bandgap ~2.4 eV). När elektronaffiniteten är 3.3 eV för båda typerna av belysning med VBO på +0.13 eV vid HTL/RTE, förbättras enhetens prestanda.
Med en ökning i elektronaffinitet för RTE, skiftar VBO mellan HTL/RTE mot positiv. Studien visar att den NAN-baserade enheten visar högre PCE för bakbelysning. Det indikerar minskad elektrisk fältintensitet i negativ riktning i NAN-baserade enheter vid HTL/RTE-gränssnittet. Dessutom ökar PCE-anordningen med ökad arbetsfunktion och de blir mättade för stora arbetsfunktioner.
I en annan forskning 28 % effektiv perovskite kisel tandem solmodul från PeroNova introducerades.
Optimering av Perovskite-skiktet
Som diskuterats ovan har vi simulerat olika kombinationer av enheter med olika FTE, HTL och RTE. Laddningsbärargenereringen minskar med en ökning av perovskitabsorberande skikt. Däremot ökar VOC med ökningen av absorbentskiktets inbyggda potential. PCE-enheten ökar till ett optimerat bandgap på 1.4 eV och andra är som följer:
- Frontbelysning PCE 24.65 %
- Bakbelysning PCE 25.48%
Absorptionsskiktets defektdensitet av perovskit reducerades från 8.0 × 10^14 cm−3 till 1.0 × 10^14 cm−3. Det leder till en ökning av enhet PCE till 26.27 % och 26.45 % för fram- och bakbelysning.
Dessutom, efter att optimera tjockleken på absorbentskiktet till 800 nm och sedan minska defektdensiteten till 1.0 × 1014 cm−3. Detta ökar enhetens PCE till 26.88 % (främre belysning) och 27.35 % (bakbelysning).
Slutsatser
Så med detta drar forskarna slutsatsen att man använder ett simuleringspaket för att optimera ETL-fria bifacial PSC:er. Genom att studera inverkan av olika material på enhetens prestanda observerades att vissa material förbättrade prestandan på grund av deras specifika egenskaper. Dessutom är bandgapet, defektdensiteten och tjockleken viktiga bestämningsfaktorer för perovskitabsorberande skikt. Effektomvandlingseffektiviteten på mer än 27 % uppnåddes således med en optimerad konfiguration för både bak- och frontbelysning.
